DEM simulations of a bio-inspired site characterization probe with two anchors
DEM simulations of a bio-inspired site characterization probe with two anchors
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具有两个锚点的仿生位点表征探针的 DEM 模拟
DOI：
10.1007/s11440-022-01684-5
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发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
5.7
通讯作者：
DeJong, Jason
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Chen, Yuyan;Martinez, Alejandro;DeJong, Jason
安装设备产生的反作用力不足是土壤渗透过程中的主要挑战之一，这可能导致原位测试、土壤取样和打桩期间的拒绝条件或拔出故障。最近的研究集中在开发用于位点表征的探针，其可以在没有外部设备的情况下产生探针插入所需的反作用力。本研究提出了一个虚拟校准室（VCC），适用于恒定的上覆岩层压力为100 kPa的单或双锚的探头的三维离散元建模（DEM）模拟的结果。穿刺针穿刺至所需深度后，锚钉扩张，然后使用位移控制或力限制运动模拟单头端推进阶段。模拟结果表明，双锚探头产生更大的能力比单锚探头由于动员额外的轴承力。然而，由于在前导锚下方形成活动区，导致尾随锚周围的有效应力降低，因此每个锚的承载力随着锚间间距的增加而增加。在锚钉扩张过程中，由于探针尖端周围应力的变化，穿透阻力降低。模拟结果用于定义无量纲3D空间，以确定实现自穿透的探头配置组合;这些配置包括更大的锚间距、更小的锚-头端距离和更大的锚膨胀幅度。
Insufficient reaction force generated by installation equipment is one of the main challenges in soil penetration processes, which can lead to refusal conditions or pullout failures during in situ testing, soil sampling, and pile driving. Recent research has focused on developing probes for site characterization that can generate the reaction force required for probe insertion without external equipment. This study presents the results of 3D discrete element modeling (DEM) simulations of probes with single or dual anchors performed in a virtual calibration chamber (VCC) that applies a constant overburden pressure of 100 kPa. Following penetration of the probe to the desired depth, the anchors are expanded and then a single tip advancement stage is simulated using either displacement-controlled or force-limited motion. The simulation results indicate that dual-anchor probes generate greater capacities than single-anchor probes due to the mobilization of additional bearing forces. However, the capacity per anchor increases with increasing inter-anchor spacing due to the development of an active zone below the leading anchor which produces a decrease in effective stresses around the trailing anchor. During expansion of the anchors, the penetration resistances decrease due to the alteration of stresses around the probe tip. The simulation results are used to define a dimensionless 3D space to determine the combination of probe configurations that enable self-penetration; these configurations include greater inter-anchor spacings, smaller anchor-tip distances, and greater anchor expansion magnitudes.
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